Урок «Механічна робота. Одиниця роботи» доцільно побудувати як продовження теми про блоки. Учні вже з’ясували, що прості механізми змінюють силу або напрямок її дії, а тепер мають усвідомити, за яких умов сила виконує механічну роботу та як цю роботу обчислити. Важливо розмежувати побутове поняття роботи й фізичне: якщо людина тримає важку сумку нерухомо, вона втомлюється, але механічна робота сили, прикладеної до сумки, дорівнює нулю.
Тип уроку: урок формування нових знань із дослідницькими елементами та розв’язуванням задач.
Основна ідея уроку
Механічна робота характеризує дію сили під час переміщення тіла. Для обчислення роботи сталої сили, напрямок якої збігається з напрямком переміщення, використовують формулу (A=Fs). Одиниця механічної роботи в SI — джоуль. Якщо тіло не переміщується, робота сили дорівнює нулю, навіть коли сила значна.
Результати навчання у фокусі уроку
| Група | Результат, який формуємо |
|---|---|
| ГР1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження | Аналізує ситуації, у яких сила спричиняє переміщення тіла або не спричиняє його; висуває припущення про умови виконання механічної роботи; досліджує зв’язок роботи із силою та переміщенням. |
| ГР2. Опрацювання, систематизація та представлення інформації природничого змісту | Розпізнає фізичні величини у формулі механічної роботи; записує формулу, позначення та одиниці величин; подає результати обчислень у вигляді короткого запису й розв’язання задачі. |
| ГР3. Усвідомлення закономірностей природи | Пояснює, за яких умов сила виконує механічну роботу; встановлює залежність роботи від сили та переміщення; пояснює фізичний зміст джоуля. |
| ГР4. Розвиток наукового мислення та розв’язання проблем природничого змісту | Застосовує формулу механічної роботи для розв’язування задач і аналізу побутових та технічних ситуацій; обґрунтовує, чому за відсутності переміщення механічна робота сили дорівнює нулю. |
Примітка: назви груп подано в робочому формулюванні; для офіційного документа їх потрібно звірити з модельною навчальною програмою, за якою працює вчитель.
Обладнання
Динамометр, брусок або невеликий вантаж, горизонтальна поверхня, лінійка чи вимірювальна стрічка, картки із ситуаціями для аналізу, зображення людини, яка піднімає вантаж, штовхає візок або утримує предмет нерухомо.
Хід уроку
1. Організаційний момент (1 хв)
Учитель перевіряє готовність учнів до уроку та налаштовує їх на роботу.
2. Мотивація навчальної діяльності (4 хв)
Учитель пропонує учням розглянути три ситуації:
Учень піднімає рюкзак із підлоги на парту.
Учениця тримає важкий рюкзак у руках, стоячи на місці.
Учень штовхає візок, і той рухається вперед.
Запитання до учнів:
У якій ситуації сила спричиняє переміщення предмета?
У якій ситуації людина втомлюється, але предмет не переміщується?
Чи можна в усіх трьох ситуаціях стверджувати, що сила виконує механічну роботу?
Як фізика визначає, чи виконано механічну роботу?
Учні висловлюють припущення. Учитель підводить їх до висновку: у фізиці механічна робота пов’язана не просто з прикладанням сили або втомою людини, а з переміщенням тіла під дією сили.
3. Актуалізація опорних знань (3 хв)
Учитель ставить запитання:
Що називають силою?
У яких одиницях вимірюють силу?
Що таке переміщення?
Як працюють рухомий і нерухомий блоки?
Чому під час використання рухомого блока для піднімання вантажу потрібно витягнути більше мотузки?
Очікувані відповіді: силу вимірюють у ньютонах; переміщення характеризує зміну положення тіла; прості механізми можуть змінювати силу або напрямок її дії, але не створюють додаткової енергії.
Учитель формулює проблемне запитання: «Як кількісно оцінити дію сили, якщо тіло переміщується?»
4. Поняття механічної роботи (6 хв)
Учитель пояснює, що механічна робота виконується тоді, коли на тіло діє сила й тіло переміщується так, що ця сила має складову в напрямку переміщення.
Для випадку сталої сили, напрямок якої збігається з напрямком переміщення, механічну роботу обчислюють за формулою:
[
A=Fs,
]
де:
(A) — механічна робота;
(F) — сила, що діє на тіло;
(s) — переміщення тіла в напрямку сили.
Важливо пояснити учням: у межах цієї теми спочатку розглядаємо найпростіший випадок — сила стала та напрямлена вздовж переміщення. Для довільного кута між силою і переміщенням формула має вигляд (A=Fs\cos\alpha), але її можна залишити для подальшого поглиблення, якщо цього не вимагає програма.
Учитель пропонує порівняти ситуації:
Вантаж піднімають угору: сила тяжіння напрямлена вниз, а переміщення — вгору. Робота сили тяжіння від’ємна.
Вантаж рівномірно переміщують угору: сила, прикладена до вантажу, напрямлена вгору й виконує додатну роботу.
Вантаж утримують нерухомо: переміщення відсутнє, тому механічна робота сили, прикладеної для утримання вантажу, дорівнює нулю.
Для початкового опрацювання формули (A=Fs) основну увагу зосереджуємо на випадках, коли сила й переміщення співнапрямлені.
5. Дослідження: від чого залежить механічна робота? (7 хв)
Учитель організовує демонстраційний дослід або роботу в групах.
Обладнання: брусок, динамометр, лінійка, горизонтальна поверхня.
Хід дослідження:
Прикріпити динамометр до бруска.
Рівномірно перемістити брусок на невелику відстань, вимірюючи силу тяги.
Визначити переміщення бруска.
Повторити переміщення на більшу відстань, підтримуючи приблизно ту саму силу.
Порівняти результати.
Якщо час уроку або обладнання не дають змоги провести повний дослід, учитель може використати підготовлені дані.
| Дослід | Сила (F), Н | Переміщення (s), м | Робота (A=Fs), Дж |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 0,5 | 1 |
| 2 | 2 | 1,0 | 2 |
| 3 | 4 | 0,5 | 2 |
Запитання для аналізу:
Як змінюється робота, якщо сила залишається сталою, а переміщення збільшується вдвічі?
Як змінюється робота, якщо переміщення незмінне, а сила збільшується вдвічі?
Який зв’язок між силою, переміщенням і механічною роботою відображає формула?
Очікуваний висновок: за незмінного переміщення робота прямо пропорційна силі; за незмінної сили — прямо пропорційна переміщенню. Отже, для розглянутого випадку (A=Fs).
6. Одиниця механічної роботи (4 хв)
У системі SI одиницею механічної роботи є джоуль (Дж).
З формули (A=Fs):
[
1\ \text{Дж}=1\ \text{Н}\cdot1\ \text{м}.
]
Один джоуль — це робота, яку виконує сила 1 Н, переміщуючи тіло на 1 м у напрямку дії сили.
Учитель пропонує усно визначити роботу:
сила 3 Н переміщує тіло на 1 м;
сила 5 Н переміщує тіло на 2 м;
сила 10 Н діє на тіло, яке не переміщується.
Очікувані відповіді: 3 Дж; 10 Дж; 0 Дж.
Учитель наголошує: перед обчисленням потрібно перевести величини в узгоджені одиниці SI, зокрема сантиметри — у метри.
7. Розв’язування задач (7 хв)
Задача 1. Обчислення механічної роботи
На тіло діє сила 15 Н, яка переміщує його на 4 м у напрямку своєї дії. Визначте роботу сили.
Дано: (F=15) Н, (s=4) м.
Розв’язання:
[
A=Fs=15\cdot4=60\ \text{Дж}.
]
Відповідь: 60 Дж.
Задача 2. Визначення сили
Під час переміщення ящика на 3 м виконано механічну роботу 90 Дж. Визначте силу, якщо вона стала й напрямлена вздовж переміщення.
[
F=\frac{A}{s}=\frac{90}{3}=30\ \text{Н}.
]
Відповідь: 30 Н.
Задача 3. Аналіз ситуації
Учень утримує книжку на висоті, не змінюючи її положення. Чи виконує сила, якою він утримує книжку, механічну роботу над нею?
Очікувана відповідь: ні, оскільки книжка не переміщується. Механічна робота цієї сили дорівнює нулю, хоча людина може втомлюватися.
Задача 4. Застосування до попередньої теми
Вантаж вагою 50 Н рівномірно піднімають за допомогою ідеального нерухомого блока на висоту 2 м. Яку роботу виконує сила тяги?
Для ідеального нерухомого блока сила тяги дорівнює вазі вантажу, а довжина витягнутої мотузки дорівнює висоті піднімання:
[
A=Fs=50\cdot2=100\ \text{Дж}.
]
Відповідь: 100 Дж.
Учитель просить пояснити, чому ця задача пов’язує попередню тему про блоки з новою темою механічної роботи.
8. Узагальнення та рефлексія (3 хв)
Учні завершують речення:
Механічна робота виконується, якщо…
Механічну роботу обчислюють за формулою…
Одиницею механічної роботи є…
Якщо тіло не переміщується, робота сили…
Щоб збільшити роботу за сталої сили, потрібно…
Учитель узагальнює: механічна робота залежить від сили та переміщення; її можна обчислити кількісно; у фізиці робота має чітке визначення, яке не завжди збігається з побутовим уживанням слова «робота».
9. Домашнє завдання
Опрацювати відповідний параграф підручника.
Розв’язати задачу: сила 25 Н переміщує тіло на 6 м у напрямку своєї дії. Визначити механічну роботу.
Розв’язати задачу: під час переміщення тіла на 2 м сила виконала роботу 40 Дж. Визначити силу, якщо вона напрямлена вздовж переміщення.
Навести два приклади, коли сила діє на тіло, але механічна робота цієї сили дорівнює нулю або не є додатною. Пояснити кожен приклад.
Немає коментарів:
Дописати коментар